Cảm biến công nghiệp P5

Chia sẻ: Hoang Nhan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

0
100
lượt xem
37
download

Cảm biến công nghiệp P5

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cảm biến đo biến dạng : Dưới tác động của ứng lực cơ học , trong môi trường chịu ứng lực xuất hiện biến dạng

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Cảm biến công nghiệp P5

  1. Ch−¬ng V C¶m biÕn ®o biÕn d¹ng D−íi t¸c ®éng cña øng lùc c¬ häc, trong m«i tr−êng chÞu øng lùc xuÊt hiÖn biÕn d¹ng. Sù biÕn d¹ng cña c¸c cÊu tróc ¶nh h−ëng rÊt lín tíi kh¶ n¨ng lµm viÖc còng nh− ®é an toµn khi lµm viÖc cña kÕt cÊu chÞu lùc. MÆt kh¸c gi÷a øng lùc vµ biÕn d¹ng cã mèi quan hÖ víi nhau, dùa vµo mèi quan hÖ ®ã ng−êi ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc øng lùc khi ®o biÕn d¹ng do nã g©y ra. Bëi vËy ®o biÕn d¹ng lµ mét vÊn ®Ò ®−îc quan t©m nhiÒu trong kü thuËt. 5.1. BiÕn d¹ng vµ ph−¬ng ph¸p ®o 5.1.1. §Þng nghÜa mét sè ®¹i l−îng c¬ häc - BiÕn d¹ng ε: lµ tØ sè gi÷a ®é biÕn thiªn kÝch th−íc (∆l) vµ kÝch th−íc ban ®Çu (l). ∆l ε= (5.1) l BiÕn d¹ng gäi lµ ®µn håi khi mµ øng lùc mÊt ®i th× biÕn d¹ng còng mÊt theo. BiÕn d¹ng mµ cßn tån t¹i ngay c¶ sau khi øng lùc mÊt ®i ®−îc gäi lµ biÕn d¹ng d−. - Giíi h¹n ®µn håi: lµ øng lùc tèi ®a kh«ng g©y nªn biÕn d¹ng dÎo v−ît qu¸ 2%, tÝnh b»ng kG/mm2. VÝ dô giíi h¹n ®µn håi cña thÐp ~20 - 80 kG/mm2. - M«®un Young (Y): x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng cña øng lùc. 1 F 1 ε || = = σ (5.2) YS Y F - lùc t¸c dông, kG. S - tiÕt diÖn chÞu lùc. mm2. σ - øng lùc, σ =F/S. §¬n vÞ ®o mo®un Young lµ kG/mm2. Mo®un Young cña thÐp ~ 18.000 - 29.000 kG/mm2. - HÖ sè poison ν: hÖ sè x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng vu«ng gãc víi lùc t¸c dông. ε ⊥ = −νε || (5.3) Trong vïng biÕn d¹ng ®µn håi ν ≈ 0,3. - 90 -
  2. 5.1.2. ph−¬ng ph¸p ®o biÕn d¹ng T¸c ®éng cña øng lùc g©y ra sù biÕn d¹ng trong kÕt cÊu chÞu øng lùc. Gi÷a biÕn d¹ng vµ øng lùc cã quan hÖ chÆt chÏ víi nhau, b»ng c¸ch ®o biÕn d¹ng ta cã thÓ tÝnh ®−îc øng lùc t¸c ®éng lªn kÕt cÊu. §Ó ®o biÕn d¹ng ng−êi ta sö dông c¸c c¶m biÕn biÕn d¹ng hay cßn gäi lµ ®Çu ®o biÕn d¹ng. HiÖn nay sö dông phæ biÕn hai lo¹i ®Çu ®o biÕn d¹ng: - §Çu ®o ®iÖn trë: ®©y lµ lo¹i ®Çu ®o dïng phæ biÕn nhÊt. Chóng ®−îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã ®iÖn trë biÕn thiªn theo møc ®é biÕn d¹ng, víi kÝch th−íc nhá tõ vµi mm ®Õn vµi cm, khi ®o chóng ®−îc d¸n trùc tiÕp lªn cÊu tróc biÕn d¹ng. - §Çu ®o d¹ng d©y rung ®−îc dïng trong ngµnh x©y dùng. §Çu ®o ®−îc lµm b»ng mét sîi d©y kim lo¹i c¨ng gi÷a hai ®iÓm cña cÊu tróc cÇn ®o biÕn d¹ng. TÇn sè cña d©y rung lµ hµm cña søc c¨ng c¬ häc, tÇn sè nµy thay ®æi khi kho¶ng c¸ch hai ®iÓm nèi thay ®æi. Trong ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn c¸c ®Çu ®o biÕn d¹ng th−êng dïng trong c«ng nghiÖp nh− ®Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i, ®Çu ®o ®iÖn trë b¸n dÉn - ¸p ®iÖn trë, øng suÊt kÕ d©y rung vµ c¸c ®Çu ®o trong chÕ ®é ®éng. 5.2. §Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i 5.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng §Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i cã cÊu t¹o d¹ng l−íi. §èi víi ®Çu ®o d¹ng l−íi d©y, ®−îc lµm b»ng d©y ®iÖn trë cã tiÕt diÖn trßn (®−êng kÝnh d ≈ 20 µm) hoÆc tiÕt diÖn ch÷ nhËt axb (h×nh 5.1a). §Çu ®o d¹ng l−íi mµng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p m¹ch in (h×nh 5.1b). Sè nh¸nh n cña c¶m biÕn th−êng tõ 10 - 20 nh¸nh. C¶m biÕn ®−îc cè ®Þnh trªn ®Õ c¸ch ®iÖn máng bÒ dµy ~ 0,1 mm lµm b»ng giÊy hoÆc ~ 0,03 mm lµm b»ng chÊt dÎo (polyimide, epoxy). VËt liÖu lµm ®iÖn trë th−êng thuéc hä hîp kim Ni ( b¶ng 5.1). - 91 -
  3. BiÕn thiªn ®iÖn trë cña ®Çu ®o b¸n dÉn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc t−¬ng tù ®Çu ®o kim lo¹i: ∆R ∆l ∆S ∆ρ = − + R l S ρ §èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, biÕn thiªn ®iÖn trë suÊt do t¸c dông cña øng lùc cã d¹ng: ∆ρ ∆l = πσ = πY ρ l Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p ®iÖn trë, σ lµ øng lùc t¸c dông. VËy: ∆R ∆l = {(1 + 2ν ) + πY} (5.8) R l vµ hÖ sè ®Çu ®o: K = 1 + 2ν + πY (5.9) Th«ng th−êng K = 100 - 200. 5.3.2. C¸c ®Æc tr−ng chñ yÕu §èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, ®é pha t¹p lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Õn c¸c ®Æc tr−ng cña chóng. - §iÖn trë: ¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: khi t¨ng ®é pha t¹p, mËt ®é h¹t dÉn trong vËt liÖu t¨ng lªnvµ ®iÖn trë suÊt cña nã gi¶m xuèng. BiÓu thøc chung cña ®iÖn trë suÊt cã d¹ng: 1 ρ= q (µ n n + µ p p ) q - gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn trë hoÆc lç trèng. n, p - mËt ®é ®iÖn tö vµ lç trèng tù do. µn, µp - ®é linh ®éng cña ®iÖn tö vµ lç trèng. ρ (Ωcm) ρ (Ωcm) 7 1014 1 6 5 1016 10-1 4 3 101 10-2 2 1020 10-3 1014 1015 1016 1017 1018 1019 -100 0 100 200 300 400 500 ToC Nång ®é t¹p chÊt/cm3 H×nh 5.5 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë suÊt vµo nång ®é pha t¹p vµ nhiÖt ®é - 95 -
  4. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: khi nhiÖt ®é nhá h¬n 120oC hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cã gi¸ trÞ d−¬ng vµ gi¶m dÇn khi ®é pha t¹p t¨ng lªn. ë nhiÖt ®é cao hÖ sè nhiÖt K ®iÖn trë cã gi¸ trÞ ©m vµ kh«ng 240 200 phô thuéc vµo ®é pha t¹p. 180 1017/cm3 - HÖ sè ®Çu ®o K: 160 5.1018 120 3.1019 ¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: HÖ sè 80 1020 40 ®Çu ®o phô thuéc vµo ®é pha t¹p, -100 0 100 200 300 400 500 600 ToC khi ®é pha t¹p t¨ng lªn, hÖ sè ®Çu H×nh 5.6 Sù phô thuéc cña K vµo ®é pha t¹p ®o gi¶m (h×nh 5.6). ¶nh h−ëng cña ®é biÕn d¹ng: HÖ sè ®Çu ®o phô thuéc vµo ®é biÕn d¹ng, quan hÖ cã d¹ng: K = K1 + K 2 ε + K 2 ε 2 Tuy nhiªn víi ®é biÕn d¹ng d−íi mét gi¸ trÞ cùc ®¹i nµo ®ã cã thÓ coi K kh«ng ®æi. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: Khi nhiÖt ®é t¨ng hÖ sè ®Çu ®o gi¶m, tuy nhiªn khi ®é pha t¹p lín (cì Nd = 1020cm-3) hÖ sè ®Çu ®o Ýt phô thuéc nhiÖt ®é. 5.4. §Çu ®o trong chÕ ®é ®éng Khi ®o biÕn d¹ng trong chÕ ®é ®éng, ®Çu ®o ph¶i tho¶ m·n mét sè yªu cÇu nhÊt ®Þnh nh− tÇn sè sö dông tèi ®a, giíi h¹n mái. 5.4.1. TÇn sè sö dông tèi ®a TÇn sè cña ®Çu ®o kh«ng phô thuéc vµo vËt liÖu chÕ t¹o, silic cã thÓ truyÒn kh«ng suy gi¶m c¸c dao ®éng víi tÇn sè lín h¬n 106 Hz. Tuy nhiªn tÇn sè lµm viÖc l¹i phô thuéc vµo ph−¬ng ph¸p g¾n ®Çu ®o vµ kÝch th−íc cña nã. §Ó cho c¸c biÕn d¹ng ®o ®−îc gÇn nh− ®ång bé trong ph¹m vi cña ®Çu ®o, chiÒu dµi l cña c¸c nh¸nh ph¶i nhá h¬n nhiÒu lÇn b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc. Quan hÖ gi÷a kÝch th−íc l vµ chiÒu dµi b−íc sãng ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: l ≤ 0,1λ ChiÒu dµi b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: v λ= (5.10) f Trong ®ã v lµ vËn tèc truyÒn sãng vµ f lµ tÇn sè dao ®éng. - 96 -
  5. Y 1− ν v= . d (1 + ν )(1 − 2ν ) Y - lµ m«®un Young. ν - hÖ sè poisson. d - träng l−îng riªng vËt liÖu chÕ t¹o d©y. VËy tÇn sè cùc ®¹i fmax cña dao ®éng khi chiÒu dµi nh¸nh cña ®Çu ®o lµ l b»ng: v fmax = 10.l 5.4.2. Giíi h¹n mái BiÕn d¹ng nhiÒu lÇn lµm t¨ng ®iÖn trë ®Çu ®o do hiÖu øng mái, hiÖu øng nµy cµng lín khi biªn ®é biÕn d¹ng cµng lín. Giíi h¹n mái ®−îc x¸c ®Þnh bëi sè chu kú biÕn d¹ng N víi biªn ®é cho tr−íc g©y nªn biÕn thiªn ®iÖn trë b»ng 10-4 øng víi chu kú biÕn d¹ng gi¶ ®Þnh. §èi víi biªn ®é biÕn d¹ng cì ±2.10-3 giíi h¹n mái n»m trong kho¶ng tõ 104 (constantan) ®Õn 108(isoelastic) chu kú. 5.5. øng suÊt kÕ d©y rung øng suÊt kÕ d©y rung ®−îc dïng ®Ó theo dâi kiÓm tra c¸c c«ng tr×nh x©y dùng nh− ®Ëp, cÇu, ®−êng hÇm ... CÊu t¹o cña øng suÊt kÕ d©y rung gåm mét d©y thÐp c¨ng gi÷a hai gi¸ g¾n vµo cÊu tróc cÇn nghiªn cøu biÕn d¹ng. Khi cã biÕn d¹ng, sù c¨ng c¬ häc cña d©y kÐo theo sù thay ®æi tÇn sè dao ®éng N cña d©y, b»ng c¸ch ®o tÇn sè dao ®éng cña d©y cã thÓ biÕt ®−îc ®é lín cña biÕn d¹ng. TÇn sè dao ®éng cña sîi d©y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 1 F N= (5.11) 2 l Sd l - kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÓm c¨ng d©y. F - lùc t¸c dông. S - tiÕt diÖn d©y. d - khèi l−îng riªng cña vËt liÖu chÕ t¹od©y. D−íi t¸c dông cña lùc F, ®é dµi d©y biÕn thiªn mét l−îng ∆l x¸c ®Þnh tõ biÓu thøc: ∆l 1 F = (5.12) l YS - 97 -
  6. Do ®ã tÇn sè dao ®éng cña d©y: 1 Y ∆l N= 2l d l Suy ra: ∆l 4 l 2 d 2 = N = K.N 2 (5.13) l Y Gi¶ sö ∆l0 lµ ®é kÐo dµi ban ®Çu vµ N0 lµ tÇn sè t−¬ng øng khi ch−a cã biÕn d¹ng: ∆l 0 = K .N 0 2 l Khi cã biÕn d¹ng, ®é kÐo dµi tæng céng cña d©y lµ ∆l1 vµ tÇn sè lµ N1, ta cã: ∆l1 = K .N 1 2 l V× ®é kÐo dµi do biÕn d¹ng ∆l = ∆l1 - ∆l0, suy ra: ∆l l ( = K N1 − N 0 2 2 ) (5.14) §o N0 vµ N1 ta cã thÓ tÝnh ®−îc biÕn d¹ng cña cÊu tróc. - 98 -
Đồng bộ tài khoản